CN108871200A - 一种基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面纳米轴向光子(SNAP)结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统，包括调谐激光器、偏振控制器、耦合波导、光电探测器、SNAP结构微腔和位移装置。调谐激光器产生的扫频激光，经偏振控制器和耦合波导进入SNAP结构微腔，光电探测器用于获取谐振谱。该系统通过监测谐振模式的Q值和透过率实现微腔轴向的微位移传感，可以有效减小温度波动等外界环境因素对传感精度的影响，同时，SNAP结构微腔具有体积小、重量轻和易于封装集成等优点，便于实现探针式测量。

Description

一种基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移 传感系统

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，更具体地，涉及一种基于表面纳米轴向光子(Surface nanoscale axial photonics,SNAP)结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统。

背景技术

探针式微位移传感器是微深内结构测量系统的关键器件，凭借其细长结构便于深入微小结构内部进行测量的优势，在航空航天、纳米光刻、超精密加工等领域涉及的微结构测量中具有广泛的应用，如航空发动机的微深沟槽阵列、MEMS器件的精细结构等。

在过去的二十年内，不同种类的探针式位移传感器已经被广泛研究，主要包括刚性测杆和光纤柔性探针两大类。刚性测杆需附加弹性结构及其形变传感器，结构复杂、装调难度大且难以实现横向尺寸小于0.1mm的微内结构的高精度测量。光纤柔性探针凭借其易于小型化、长径比大的特点，在微深内结构测量中具有独特的优势，利用CCD成像或光纤光栅解调等方法可以直接实现探针端部的位移传感，但其轴向探测量程受限。回音壁模式微腔作为一种高性能光学谐振腔，在微位移传感领域具有巨大潜力，理论上可以达到亚纳米分辨率和毫米级量程，且易于在现有光纤探针上制备，进而实现探针轴向的大量程、高分辨率的微位移测量。然而，现有回音壁微腔的微位移传感方案主要基于微腔形变致谐振峰偏移实现，一方面外界温度波动会严重影响其传感精度，另一方面，装置的复杂性使得该系统难以实现探针式测量。因此，为了提高基于回音壁微腔的微位移传感系统的稳定性，促进其在微深内结构测量领域的应用，需要研发一种新型的位移传感系统。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种基于表面纳米轴向光子(SNAP)结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统。该系统是基于SNAP结构微腔的模式场分布和模式谱结构的特点，利用微腔位移引起的耦合条件变化，改变各谐振模式的特征参数，进而通过各模式的Q值和透过率变化实现位移传感。该系统可以有效减小温度波动等外界环境因素对传感精度的影响，同时，SNAP结构微腔具有体积小、重量轻和易于封装集成等优点，可实现对温度不敏感，便于实现探针式测量。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统，其特征在于，包括调谐激光器、偏振控制器、耦合波导、光电探测器、表面纳米轴向光子结构微腔和位移装置；所述调谐激光器与所述偏振控制器相连，所述偏振控制器和耦合波导相连，所述耦合波导与所述光电探测器连接，所述表面纳米轴向光子结构微腔固定在所述位移装置上，所述位移装置设置在移动台上；

其中，所述调谐激光器产生连续且波长可调谐的激光并输入到光纤中，所述偏振控制器控制光纤中光的偏振态，所述耦合波导用来将光波耦合进入表面纳米轴向光子结构微腔，所述光电探测器用于将光信号转换为电信号，所述表面纳米轴向光子结构微腔是传感系统的核心器件，用于产生谐振谱，所述位移装置用于调整微腔的轴向位移，使得表面纳米轴向光子结构微腔相对于耦合波导产生移动，改变微腔的耦合位置，以改变腔内谐振模式的Q值和透过率。

进一步，所述的耦合波导可以是微纳锥形光纤、耦合棱镜、集成光波导、研磨倾角光纤或光纤光栅。

进一步，所述的表面纳米轴向光子结构微腔是基于光纤制作，所述表面纳米轴向光子结构微腔的轴向长度为0.5～1.5mm，所述表面纳米轴向光子结构微腔的径向有效尺寸为10～100nm。

进一步，所述的SNAP结构微腔纵截面的轮廓可以是抛物线形、高斯曲线形或类梯形。

进一步，所述的SNAP结构微腔是利用电弧放电、二氧化碳激光或者紫外光作用在光纤上加工获得。

进一步，所述的耦合波导在工作过程中始终与SNAP结构微腔保持接触。

所述的基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统的实现方法，包括如下具体步骤：

S1.从调谐激光器中发出的激光经耦合波导进入表面纳米轴向光子结构微腔中，满足谐振条件的特定波长的光波在微腔内产生谐振，经光电探测器获取其谐振谱；

S2.当位移装置使表面纳米轴向光子结构微腔产生轴向位移时，谐振谱中各轴向模式的Q值和透过率会发成变化，基于此效应能够实现表面纳米轴向光子结构微腔的轴向位移传感。

本发明的基于SNAP结构微腔的微位移传感方案的工作原理为：利用回音壁微腔的模式场分布和模式谱结构依赖于腔体形状的原理，通过一定加工手段在光纤上制备出SNAP结构，其径向尺寸沿轴向变化缓慢且外形接近瓶口状，可以在轴向上束缚光波。由于SNAP结构径向尺寸变化极小(纳米量级)，能够很好抑制径向高阶模式的激发，使得谐振谱较为规则、纯净且易于模式识别。SNAP结构微腔的谐振谱通常由径向一阶的多个轴向模式构成，各轴向模式沿微腔轴向具有较广的场分布范围，通过位移装置改变SNAP结构微腔的轴向位置，会使得耦合波导相对于各模式场的位置发生变化。而各谐振模式的耦合强度由其模式场与耦合波导模式场的重叠积分决定，当两者相对位置变化，会引起各谐振模式耦合状态的改变，在谐振谱上表现为对应谐振峰的Q值和透过率变化，基于谐振谱特征参数的改变，能够实现微腔轴向微位移的高分辨率传感。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用SNAP结构微腔实现微位移传感，在轴向具有较大的量程和分辨率，结构简单、易于封装。

2.本发明中的SNAP结构微腔形状接近理想圆柱，工作过程中始终与耦合波导保持接触，微腔尺寸沿轴向的均匀性使其成为耦合波导的稳定支撑，保证系统稳定性，SNAP结构微腔具有较好的抗振动干扰能力，且其轴向移动对耦合波导的干扰非常小，使得其在探针式微位移传感应用中具有巨大的优势。

3.本发明采用SNAP结构微腔的各轴向模式Q值和透过率变化实现位移传感，对温度干扰不敏感，可以有效减小温度波动等外界环境因素对传感精度的影响，实现较高的传感精度。

4.本发明中的SNAP结构微腔具有体积小、重量轻和易于封装集成等优点，便于在常规光纤上制作，实现探针式测量，其制备简单省时，成本低，且成功率高。

附图说明

图1是本发明中基于SNAP结构微腔的微位移传感系统示意图。

图2是本发明中SNAP结构微腔的模式场分布和不同耦合位置的谐振谱图。

图3是本发明中SNAP结构微腔前2阶轴向模式Q值与耦合位置坐标的关系曲线。

图中标号：1-调谐激光器、2-偏振控制器、3-耦合波导、4-光电探测器、5-SNAP结构微腔、6-位移装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。

实施例1

图1是本发明提出的基于SNAP结构微腔的探针式微位移传感系统的结构示意图，为了更清楚表达系统原理，图中所有器件的尺寸和比例均不遵从真实比例，特此说明。该系统包括调谐激光器1、偏振控制器2、耦合波导3、光电探测器4、SNAP结构微腔5和位移装置6。其中，调谐激光器1产生连续、波长可调谐的激光并输入到光纤中；偏振控制器2控制光纤中光的偏振态；耦合波导3用来将光波耦合进入SNAP结构微腔；光电探测器4用于将光信号转换为电信号，获取耦合系统的谐振谱；SNAP结构微腔5是传感系统的核心器件，用来对连续波长光波进行选频；位移装置6用来改变微腔的耦合位置，进而验证微位移传感的精度。

本实施例中，调谐激光器1的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；耦合波导3为锥腰直径约2μm的锥形光纤，通过火焰法拉伸单模光纤获得；SNAP结构微腔5通过光纤熔接机的电弧放电加工获得，其轴向长度约400μm，径向呈抛物线形，最大半径变化约18nm(由耦合位置扫描法测量获得，该方法测量精度0.1nm)。系统工作过程中，耦合波导3与SNAP结构微腔5保持接触，以提高其稳定性。从调谐激光器1中发出的激光经耦合波导3进入SNAP结构微腔5中，满足谐振条件的特定波长的光波在微腔内形成稳态场分布，如图1中所示为轴向3阶模式的场分布，从而在经光电探测器4获取的谐振谱中表现为一个波谷。谐振谱中各模式的特征参数(Q值和透过率)受耦合条件(即微腔的耦合位置)的影响，当位移装置6使SNAP结构微腔5产生轴向位移时，谐振谱中各轴向模式的Q值和透过率会发成变化，基于此效应能够实现SNAP结构微腔5的轴向位移传感。在保证SNAP结构微腔5加工质量的前提下，该位移传感系统的分辨率和量程由各模式的场分布特征决定。

图2是本实施例中SNAP结构微腔的模式场分布和不同耦合位置的谐振谱图。其中，图2中(a)为本实施例中SNAP结构微腔5的前5阶轴向模式的场分布图，图2中(b)为本实施例中SNAP结构微腔5不同耦合位置对应的谐振谱，谐振谱中六个波谷代表前6阶轴向模式。从图2中可看出，高阶轴向模式的场分布在轴向跨度更大，同时其场分布存在节点，阶数越高，两节点之间的轴向距离越短，对应的位移传感分辨率越高。微腔耦合理论表明，谐振模式的特征参数由耦合系数决定，而耦合系数由该模式场与耦合波导模式场的重叠积分决定，因此，各轴向模式的场分布决定了其Q值和透过率随耦合位置的变化特性。图2中(b)的谐振谱显示：对于1阶模式，在耦合位置从上到下过程中，其Q值和透过率经历了从大到小再从小到大的过程；对于2阶模式，经历2次类似的变化历程；同理，n阶轴向模式经历n次类似的变化历程。该传感方法中，谐振模式的轴向分布范围决定位移传感的量程，模式场两节点之间的距离以及Q值变化范围决定位移传感的分辨率。

图3为本实施例中SNAP结构微腔5的前2阶轴向模式的Q值与耦合位置坐标的关系曲线，其中，‘o’标记代表一阶轴向模式，‘+’标记代表二阶轴向模式。其Q值变化范围约3×10⁵～2×10⁷，更高阶模式Q值随耦合位置坐标的变化曲线与之类似。考虑到激光线宽为300kHz，其位移传感的理论分辨率可以达到纳米量级。

实施例2

本实施例中，调谐激光器1的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；耦合波导3为研磨倾角光纤，通过对常规光纤端面进行高精度的研磨获得；SNAP结构微腔5通过二氧化碳激光加工获得，其轴向长度约300μm，径向呈高斯曲线形，最大半径变化约15nm。

实施例3

本实施例中，调谐激光器1的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；耦合波导3为集成光波导，通过光刻工艺获得；SNAP结构微腔5通过紫外线激光加工获得，其轴向长度约400μm，径向呈类梯形，最大半径变化约10nm。

综上所述，本发明提出了一种可以实现探针式测量的微位移传感系统，该系统基于SNAP结构回音壁微腔的模式场分布和模式谱结构特点，利用位移改变会引起微腔各轴向模式特征参数改变的特性，通过测量谐振谱中各模式的Q值和透过率实现微腔轴向位移的传感。工作过程中，SNAP结构微腔保持与耦合波导接触，SNAP结构接近理想圆柱的特点使得该微位移传感系统便于实现探针式测量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统，其特征在于，包括调谐激光器、偏振控制器、耦合波导、光电探测器、表面纳米轴向光子结构微腔和位移装置；所述调谐激光器与所述偏振控制器相连，所述偏振控制器与所述耦合波导相连，所述耦合波导与所述光电探测器连接，所述表面纳米轴向光子结构微腔固定在所述位移装置上，所述位移装置设置在移动台上；

其中，所述调谐激光器产生连续且波长可调谐的激光并输入到光纤中，所述偏振控制器控制光纤中光的偏振态，所述耦合波导用来将光波耦合进入表面纳米轴向光子结构微腔，所述光电探测器用于将光信号转换为电信号，所述表面纳米轴向光子结构微腔是传感系统的核心器件，用于产生谐振谱，所述位移装置用于调整微腔的轴向位移，使得表面纳米轴向光子结构微腔相对于耦合波导产生移动，改变微腔的耦合位置，以改变腔内谐振模式的Q值和透过率。

2.根据权利要求1所述的基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统，其特征在于，所述的耦合波导可以是微纳锥形光纤、耦合棱镜、集成光波导、研磨倾角光纤或者光纤光栅。

3.根据权利要求1所述的基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统，其特征在于，所述的表面纳米轴向光子结构微腔是基于光纤制作，所述表面纳米轴向光子结构微腔的轴向长度为0.5～1.5mm，所述表面纳米轴向光子结构微腔的径向有效尺寸为10～100nm。

4.根据权利要求3所述的基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统，其特征在于，所述的表面纳米轴向光子结构微腔的纵截面轮廓可以是抛物线形、高斯曲线形或类梯形。

5.根据权利要求3所述的基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统，其特征在于，所述的表面纳米轴向光子结构微腔是利用电弧放电、二氧化碳激光或紫外光作用在光纤上加工获得。

6.根据权利要求1所述的基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统，其特征在于，所述耦合波导在工作过程中始终与表面纳米轴向光子结构微腔保持接触。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于表面纳米轴向光子结构回音壁微腔的探针式微位移传感系统的实现方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

S1.从调谐激光器中发出的激光经耦合波导进入表面纳米轴向光子结构微腔中，满足谐振条件的特定波长的光波在微腔内产生谐振，经光电探测器获取其谐振谱；

S2.当位移装置使表面纳米轴向光子结构微腔产生轴向位移时，谐振谱中各轴向模式的Q值和透过率会发成变化，基于此效应能够实现表面纳米轴向光子结构微腔的轴向位移传感。